太阳能电池板自动清洗与电能管理系统.doc

太阳能电池板自动清洗与电能管理系统摘要太阳能是指太阳光的辐射能量，随着科技的发展，太阳能被广泛的应用于各个方面如发电。并且太阳能是完全取于自然的天然能源，符合环保低碳的标准，是清洁的能源。此次设计的主要目的就是利用太阳能的光电转换的原理实现对太阳能的利用，主要用于路灯照明，解决远郊区，山区的道路照明。设计由太阳能电池板蓄电与自动清洁系统两部分组成：太阳能蓄电部分利用的是凌力尔特公司生产的LT3652芯片将太阳能电池板吸收的太阳辐射能直接转换为电能，整流后送往蓄电池中存储起来，带动负载工作。第二部分是自动清洁部分，主要由AT89C2051单片机经过驱动芯片L298n来控制直流电机的动作从而带动雨刷进行太阳能电池板的自动清洗。关键词：太阳能；太阳能蓄电；自动清洁；LT3652；AT89C2051；L298n；Self-cleaning solar panels and energy management system AbstractSolar radiation is the energy of sunlight, Solar energy is widelyused in various areas such as power generation. And solar iscompletely natural to take in the natural energy, Meet environmental standards for low-carbon ,is a clean source of energy. The main purpose of this design is the use of solar light - the principle of electrical conversion of solar energy to achieve. Mainly used for street lighting, solve the outer suburbs, mountain road lighting. Design by solar panels power-storage and automatic cleaning system composed of two parts: Use of solar energy power storage is part of Linear Technologys LT3652 chip company solar panels absorb the solar radiation directly into electricity, rectifier and rushed stored in batteries, drive the load of work. The second part is self-cleaning, Mainly by the AT89C2051 microcontroller to control through the driver chip L298n DC motor driven wiper action to be self-cleaning solar panels.Key Words: Solar Energy；Solar power storage；Automatic cleaning；LT3652；AT89C2051；L298n；1.绪论1.1 课题背景自从两次工业革命以后，煤、石油、天然气等化石燃 料相继被广泛地应用到生产生活的各个方面。随着社会经 济的不断发展和人类文明的不断进步，人类对能源的需求 量不断飞速增长。 然而，这些曾经被人们广泛应用并且现在还在被使用 的基本都是不可再生能源。其有限的储量与人类无限的需 求之间构成了不可调和的矛盾。 其次，煤、石油、天然气等化石燃料燃烧后会产生大 量的二氧化碳气体，造成温室效应，加速全球气候变暖， 给人类及其他动植物的生存构成巨大挑战。再者，这些不可再生能源的大量使用，还会产生环境 污染、生态破坏等严重问题。 因此，开发一种储量巨大、清洁、无污染的可再生能 源已经成为当今社会的广泛共识。 与常规能源相比，太阳能具有三大优势： 其一，它是人类可以利用的最丰富的能源。据统计， 在过去的漫长的十几亿年中，太阳只消耗了它本身能量的 2%。按照这种速度计算，太阳足以供给人类使用几十亿 2%。按照这种速度计算，太阳足以供给人类使用几十亿 年，可谓取之不尽、用之不竭。其二，在地球上，只要有光照的地方都有太阳能，这 样我们就可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对于 交通不发达的农村、海岛和边远地区更具有实用价值。 其三，太阳能是一种十分清洁的能源。在开发和利用 太阳能时，不会产生废渣、废水和废气；也没有噪音，更 不会产生大气污染、影响生态平衡等环境问题。 因此，太阳能是一种非常合适的新能源，研究和开发 太阳能，对于我们人类今后的生产生活乃至生存，都具有 十分重要的意义。1.2 国内现状在我国，太阳能的利用也一直是最热门的话题，经过多年的发展，国内在集 热器 （含太阳能热水器） 已成为太阳能应用最为广泛、 产业化最迅速的产业之一。 1998 年销售总额达到了 35 亿元， 其产量位居世界榜首。 我国的太阳能产业已开 始运作。中国科学院宣布启动西部行动计划，将在两年内投入 2.5 亿元人民币开 展研究，建立若干个太阳能发电、太阳能供热、太阳能空调等示范工程。目前河 北保定国家高新技术开发区正加快建设我国规模最大的多晶硅太阳能电池生产 基地，该项目集太阳能电池、组件及应用系统等为一体，一期工程完成后可达到 年产 3 兆瓦多晶硅太阳能电池的能力， 填补了我国在太阳能开发应用方面多项空 白，并将大大推动太阳能电池用低铁玻璃的生产、销售市场。但从整体上分析， 国内太阳能光伏发电系统由于起步较晚，尤其是在太阳能电池的开发、生产上还 落后于国际水平，整体上仍处于产量小、应用面窄、产品单一、技术落后的初级 阶段。经粗略统计表明，国内目前仅建有 5 个（单晶硅）太阳能电池生产厂，年 产量约有 4.5 兆瓦（注：1 兆瓦（MW）为 1000 千瓦），工厂设施仍停留在已 有引进的生产线上。 而国外不少企业已把眼光瞄准更为先进的薄膜晶体太阳能电 池的开发与生产上。 这种新一代的先进的薄膜晶体太阳能电池其转换效率可高达 18.3，比目前平均转换效率提高了 3 个百分点。据业内人士介绍，我国太阳能 电池平均转换效率不高，其主要原因是专用材料国产化程度低，如封装玻璃就完 全依赖进口，低铁含量的高透过率基板玻璃市场仍不能满足需求，科研成果还没 有迅速及完全转化为产业优势。1.3课题基本内容（1）电能管理系统我用的是LT3652，它接受4.95V-34V的宽输入范围，具有40V的绝对最大额定值以增加系统裕度。该器件可以为各种配置的电池组充电，充电电流可编程至2A。并且在非充电时从电池吸取1uA的电流，是电池处于动态充电状态，从而大大增加了电池的使用寿命。（2）自动清洁系统，主要利用的是单片机控制电机。用单片机编程内部定时，固定的时间是单片机给直流电机信号，从而使电机带动齿轮转动，齿轮带动传送带使轨道上雨刷上升进行第一次清洁，到达行程开关处单片机给电机一个反向电压，从而使电机反转使雨刷下降完成第二次清洁，到达行程开关处停止。系统结构图如图1.1 图1.1系统结构方框图1.4预期目标1、实现白天的日照能够对蓄电池进行充电。2、实现电池板的自动清洗功能。2.硬件设计21硬件选取及构成2.1.1太阳能电池的原理及选用太阳能电池是一个巨大的PN结，它把太阳能转换为电能，对于单片太阳能电池来说，它是一个小的PN结，除了当太阳光照射在上面时，它能够产生电能外，它还具有PN结的一切特性。在标准光照条件下，它的额定输出电压为0.48V。在太阳能照明灯具使用中的太阳能电池组件都是由多片太阳能电池连接构成的。它具有负的温度系数，温度每上升一度，电压下降2mV。对于多片太阳能电池组成的太阳能电池组件，太阳能电池一般都如下参数：Isc是短路电流，Im是峰值电流，Voc是开路电压。Vm是峰值电压，Pm是峰值功率。在使用中，太阳能电池开路或者短路都不会造成损坏，实际上我们也正是利用它的这个特性对系统蓄电池充放电进行控制的。太阳能电池的选择：我们所说的太阳能电池输出功率Wp是标准太阳光照条件下，即：欧洲委员会定义的101标准，辐射强度1000W/m2，大气质量AM1.5，电池温度25条件下，太阳能电池的输出功率。这个条件大约和平时晴天中午前后的太阳光照条件差不多，（在长江下游地区只能接近这个数值）这并不象有些人想象的那样，只要有阳光就会有额定输出功率，甚至认为太阳能电池在夜晚日光灯下也可以正常使用。这就是说，太阳能电池的输出功率是随机的，在不同的时间，不同的地点，同样一块太阳能电池的输出功率是不同的。太阳能电池是利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的一种器件，这种光电转换过程通常叫做“光生伏打效应”，因此太阳能电池又称为“光伏电池”，用于太阳能电池的半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的特殊物质，和任何物质的原子一样，半导体的原子也是由带正电的原子核和带负电的电子组成，半导体硅原子的外层有4个电子，按固定轨道围绕原子核转动。当受到外来能量的作用时，这些电子就会脱离轨道而成为自由电子，并在原来的位置上留下一个“空穴”，在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体中掺入硼、镓等元素，由于这些元素能够俘获电子，它就成了空穴型半导体，通常用符号P表示；如果掺入能够释放电子的磷、砷等元素，它就成了电子型半导体，以符号N代表。若把这两种半导体结合，交界面便形成一个PN结。太阳能电池的奥妙就在这个“结”上，PN结就像一堵墙，阻碍着电子和空穴的移动。当太阳能电池受到阳光照射时，电子接受光能，向N型区移动，使N型区带负电，同时空穴向P型区移动，使P型区带正电。这样，在PN结两端便产生了电动势，也就是通常所说的电压。这种现象就是上面所说的“光生伏打效应”。如果这时分别在P型层和N型层焊上金属导线，接通负载，则外电路便有电流通过，如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，输出功率。制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种，因此太阳电池的种类也很多。目前，技术最成熟，并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池。太阳能电池就是利用光伏效应将太阳能直接转换为电能的一种装置。常规太阳电池简单装置如左图所示。当N型和P型两种不同型号的半导体材料接触后，由于扩散和漂移作用，在界面处形成由P型指向N型的内建电场。当光照在太阳电池的表面后，能量大于禁带宽度的光子便激发出电子和空穴对，这些非平衡的少数载流子在内电场的作用下分离开，在电池的上下两极累积，这样电池便可以给外界负载提供电流。 设计选用的是CanadianSolar公司生产的YJ0177-1型单晶硅太阳能电池板。超级直线型结构的单晶硅太阳能电池板。其转化率较高能达到14-20%，光电转换效率不易随时间衰退，结构上有良好的耐久性、可靠性，不会过重且价格适中。 输出电压：18伏特（可给12伏蓄电池充电） 最大开路电压：20伏特 重量：0.5千克 外形尺寸：185*135*25mm212储能专用铅酸蓄电池的介绍与选用近年来，太阳电池的光伏发电技术得到了世界各国的高度重视。从欧美的太阳能光伏“屋顶计划”到我国的西部光伏发电项目以及“光明工程”。太阳能光伏发电已经显示了其强劲的发展势头。随着光伏发电技术的发展和低成本光伏组件的产业化，太阳能灯具、光伏电站和光伏户用电源，均要求蓄电池供应商能够提供全天候运行的蓄电池，而目前光伏系统多采用阀控式密封铅酸蓄电池（以下简称铅酸蓄电池缩写为VRLAB）胶体铅酸蓄电池和免维护铅酸蓄电池（不是VRLA蓄电池）作为储能电源。耐候性是指蓄电池适应自然环境的特性。本文主要讨论自然环境下温度对蓄电池寿命、容量的影响及解决方法，以及储能铅酸蓄电池选用。一、温度对铅酸蓄电池寿命的影响 VRLA铅酸蓄电池受温度影响较大，按阿里纽斯原理，在大于40，温度升高10度，寿命降低一倍，寿命终止的主要原因是：（一）硫酸电解液干涸；（二）热失控；（三）内部短路等。 （一）硫酸电解液干涸：关键问题因素之一。酸液干涸将造成电池容量降低，甚至失效。造成电池干涸失效这一因素是铅酸电池所特有的。酸液干涸的原因：（1）气体再化合的效率偏低，析氢析氧、水蒸发；（2）从电池壳体内部向外渗水；（3）控制阀设计不当；（4）充电设备与电池电压不匹配，电池电压过高、发热、失水、干涸而失效。 VRLA铅酸蓄电池受到上述（1）（2）（3）（4）四种因素的影响，其中（2）（3）（4）三种因素引起的失水速度随环境温度的上升而加快，从而加速了铅酸蓄电池以干涸方式失效。酸液干涸是影响VRLA铅酸蓄电池寿命的致命因素，VRLA蓄电池不适于在35以上高温条件下使用。 （二）热失控： 蓄电池在充放电过程中一般都产生热量。充电时正极产生的氧到达负极，与负极的绒面铅反应时会产生大量的热，如不及时导走就会使蓄电池温度升高。蓄电池若在高温环境下工作，其内部积累的热量就难以散发出去，就可能导致蓄电池产生过热、水损失加剧，内阻增大，更加发热，产生恶性循环，逐步发展为热失控，最终导致蓄电池失效。 VRLA铅酸蓄电池由于采用了贫液式紧装配设计，隔板中保持着10%的孔隙酸液不能进入，因而电池内部的导热性极差，热容量极小。VRLA铅酸蓄电池之所以在高温环境下易发生热失控，是由于安全阀排出的气体量太少，难以带走电池内部积累的热量。热失控的巨热将使蓄电池壳体发生严重变形、胀裂、蓄电池彻底失效。 （三）内部短路：由于隔膜物质的降解老化穿孔，活性物质的脱落膨胀使两极连接，或充电过程中生成枝晶穿透隔膜等引起内部短路。深放电之后的蓄电池，其吸附式隔板易出现铅绒或弥散型沉淀，或形成枝晶，导致正负极板微短路。 由于VRLA铅酸蓄电池的负极冗余设计，充电的初、中期充电效率比正极板充电效率高，所以在正极板析氧之前，负极已生成足够的绒面铅，用于使氧进行再化合。在制作蓄电池过程中，以负极活性物质的量作为控制因素，可以减缓电池性能的恶化。 除此而外，目前在铅酸蓄电池中还普遍采用添加剂，用以改善蓄电池性能，如添加锌、镉、锂、钴、铜、镁等金属盐或氧化物。这些添加剂均为强电解质，在放电过程中其离子向负极迁移。这些金属离子起化合配位作用，降低形成硫酸铅的概率，既使形成了硫酸铅，也比较松软，易于软化或还原。在电池的使用中，应尽量保持温度恒定，避免温度的大起大落，减少枝晶析出产生的机会。 综上所述，高温对蓄电池失水干涸、热失控、正极板栅腐蚀和变形等都起到加速作用，低温会引起负极钝化失效，温度波动会加速铅酸蓄电池内部短路等等。这些都将影响电池寿命。二、温度对铅酸蓄电池容量的影响 （一）第一类早期容量损失，缩写为PCL-。 铅酸蓄电池容量突然损失的主要原因是阻挡层。由于Pb-Ca-Sn-Al合金再生缺陷和半导体效应，正极活性物质与板栅间形成了单项导电的阻挡层，导电层组成成分较为复杂并具有半导体特性的晶体，对温度极为敏感，通过对腐蚀层的研究，改进了电池的合金和铅膏添加剂等半导体掺杂制造工艺，其原理是半导体晶体对纯度极为敏感这一原理，一个ppm的掺杂能增加103的电导率，通过合理的掺杂工艺，这种失效模式基本上解决。 （二）第二类早期容量损失，缩写为PCL- 铅酸蓄电池容量缓慢损失的主要原因是不是通常所见的板栅腐蚀硫酸盐化或活性物质软化脱落等，而是由于多孔活性物质膨胀引起颗粒之间互相隔绝，受温度影响很大，由PbO2PbSO4 软化过程中膨胀收缩，引起的正极活性物松软和络合结构的不可逆损坏，逐渐软化脱落。造成正极板以较低的速度损失容量。 （三）第三类早期容量损失，缩写为PCL- 铅酸蓄电池无法充电的主要原因是由于负极添加剂活性降低或损失，而使充电困难，充电接受能力差，再充电不足，从而导致负极板底部1/3处硫酸盐化而造成的。 在常温10h-20h率放电时电池容量受限于正极，在低温（-15以下）和高倍率（1h率以上）放电时电池容量收限于负极，低温大电流放电或受高温影响负极极易发生钝化，其原因是放电过程中有大量的离子要在很短时间内进入酸液，而形成晶核需要一些时间，这样在电极表面的呈现过大的饱和度，与正常放电电流密度相比就能够形成数量多而尺寸小的晶核，使得电极表面变成孔隙小的致密层，阻碍放电反应的继续进行，类似于部分放电量消耗于这种硫酸铅盐层上。 高温促使负极添加剂的分解或溶解在电解液中而早期损失，使负极绒面铅钝化。在低温状态，溶解度明显降低，即使放电电流与低温低浓度时相同、放电时产生的速度不变，但相对于低平衡溶解度来说提高了饱和度。在低温状态，还导致酸液的粘度增加，导致酸扩散速度下降，增大蓄电池的内阻，高速传质性能变坏。 钝化层厚度与硫酸铅的结晶尺寸、孔隙率和孔径结构有关，即与硫酸铅的溶解度以及铅电极表面溶液饱和度有关。在低温及电流密度、硫酸浓度高时，使负极表面溶液饱和度过高，钝化层随之变厚。所以很易造成蓄电池因放电困难而失效。负极板的钝化表现为既充不进电 也放不出电 。 温度对上述(一)(二)(三)诸因素影响的机理及程度涉及到电化学热力学、电化学动力学、半导体物理学、金属物理学等方面的理论，仍在进一步研究之中。但高温确实会使蓄电池中的添加剂氧化失效，引起活性物质脱落，负极钝化使蓄电池早期的容量衰减速度加快。这种早期容量衰减，将导致铅酸蓄电池寿命缩短，可靠性变差。（四）正极板腐蚀 根据化学热力学原理，环境温度过高，铅酸蓄电池放电深度越大，电解液密度越高，板栅腐蚀越剧烈；储存时间愈长，腐蚀层越厚。伴随着板栅腐蚀而产生板栅变形拉伸，其结果使板栅抗张强度变小。活性物质脱落，当腐蚀产物变得很厚或板栅变得相当薄时，板栅电阻增大，使电池容量下降，容量下降20%蓄电池就算失效了。 如前所述，由于蓄电池是一个电化学容器，对环境温度变化极为敏感，环境温度既影响蓄电池的寿命也影响蓄电池的容量，这两者是密不可分的。三、胶体铅酸蓄电池（阀控式铅酸蓄电池）发展 短短几年时间，铅酸蓄电池在太阳能灯具中得到了广泛应用。鉴于VRLA铅酸蓄电池在自然环境下全天候工作而面临的耐候性较差（-2040）的问题，成功地开发出自主知识产权的耐候性较好（-4060）的胶体蓄电池,胶体蓄电池也属于阀控式铅酸蓄电池，胶体铅酸蓄电池采用了富液设计方案，比VRLA铅酸蓄电池多加了20%的酸液，极群组周围及槽体之间充满凝胶电解质，有较大的热容量和好的散热性。 胶体蓄电池受温度影响较小，能克服以上三种早期容量损失，并具备以下优势： （一）采用特殊的非液非胶电解质，提高装配压力（正极板表面的压力），装配压力2560Kp，抑制正极板活性物质的软化脱落。设计合理的控制阀，增加氧气复合，减少失水，提高电池寿命（在各种环境中可以提高寿命二倍以上）。 （二）采用特殊的板栅结构（正负板栅质量比1：0.75）、工艺手段及材料配方，有机和无机添加剂。形成微孔结构的板栅，增大了电极与电解质的反应界面，降低接触电阻，减小了电极的极化，大幅度提高电极的活性物质利用率、提高了充电效率，增大电池放电和输出功率，有效的成倍延长电池寿命，全面提高电池性能。 （三）正极板栅采用Pb-Ca-Sn-Al-Sb-Zn-Cd其中的组合多元合金，负极板栅采用铅钙锡铝高氢过电位材料板栅和涂膏成型的电极板，容量大、寿命长。铅锡多元合金集流排，内阻小，耐腐蚀，可经受长期浮充使用，分析纯极电解质，自放电小。 （四）采用新技术、改进板栅材配方，提高抗蠕变及抗腐蚀性能，适当提高Pb-Ca合金中的Sn、Ag含量，可以提高抗蠕变性能。 （五）采用低阻多孔PE隔板，极板设计要给电池壳中留出富液空间，酸液不外溢、不污染环境、不腐蚀设备机件，可以顺利进行气体阴极吸收。提高极群组的压力，紧装配，可以延长蓄电池寿命。 （六）电池壳盖采用迷宫式特殊设计的透气阀，和特殊的添加剂，减少了水份的散失。 （七）采用适当的添加剂，有利于保持负极的正常充电状态，避免负极硫化并减小负极自放电。所以在保持负极正常充电状态的同时，也降低了正极极化电位，从而降低了正极板栅的腐蚀速度，利于延长寿命。设计选用的是6GFM系列的铅酸电池一、6GFM 系列阀控密封式铅酸蓄电池符合如下标准： JIS C 8707-1992 阴极吸收密封固定型铅蓄电池标准JB/T8451-96 中华人民共和国机械行业标准YD/T 799-2002 中华人民共和国通信行业标准DL/T 637-1997 中华人民共和国通信行业标准二、主要特点； 1、 免补水、维护简单 采用特殊设计克服了电池在充电过程中电解失水的现象， 电池在使用过程中 电液体积和比重几乎没有变化， 因此电池在使用寿命期间完全无需补水， 维护简单。 2、 密封安全、安装简单 电池内没有流动的电液，电池立式、侧卧安装使用均可，无电液渗漏之患， 而且在正常充电过程中电池不会产生酸雾。 因此可将电池安装在办公室或配套设备 房内，而无需另建专用电池房，降低工程造价。3、 使用寿命长 采用了耐腐性良好的铅钙合金板栅，在 25的环境温度下，正常浮充 寿命可达 12 年以上。 4、 高功率放电性能好 采用了内阻值很小的优质极板和玻纤隔板，而且装配较紧，使得电池 内阻极小。在-4060温度范围内进行大电流放电，其输出功率比常规电池 可高出 15%左右。三、产品规格：产品规格如图2.1所示图2.1产品规格温度与放点容量关系如图2.2所示图2.2恒压充电特性（25C）如图2.3所示6GFM系列密封电池要求采用限流恒压的充电方法进行充电。在环境度为25的条件下，最佳的浮充电压为13.60.1V 台X台数，充电开始时的电流应限制在0.25C10A的范围内。图2.325C放电特性曲线如图2.4所示图2.4电池储存时的自放电曲线如图2.5所示图2.52.1.3单片机的介绍与选取设计选用的是at89C2051单片机，at89c2051 是美国 ATMEL 公司生产的低电压、高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 2k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和 128bytes 的随机数据存储器（RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元，功能强大 at89c2051 单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。程序保密 89C2051 设计有 2 个程序保密位，保密位 1 被编程之后，程序存储器不能再被编程除非做一次擦除，保密位 2 被编程之后，程序不能被读出。 软硬件的开发 89C2051 可以采用下面 2 种方法开发应用系统。 （1） 由于 89C2051 内部程序存贮器为 Flash，所以修改它内部的程序 十分方便快捷，只要配备一个可以编程 89C2051 的编程器即可。调试人员 可以采用程序编辑-编译-固化-插到电路板中试验这样反复循环的方法，对 于熟练的 MCS-51 程序员来说，这种调试方法并不十分困难。但是做这种调 试不能够了解片内 RAM 的内容和程序的走向等有关信息。 （2） 将普通 8031/80C31 仿真器的仿真插头中 P1.0P1.7 和 P3.0 P3.6 引出来仿真 2051,这种方法可以运用单步、断点的调试方法，但是仿 真不够真实，比如，2051 的内部模拟比较器功能，P1 口、P3 口的增强下拉能力等等。主要性能.和 MCS-51 产品兼容，2KB 可重编程 FLASH 存储器（10000 次）； 2.7-6V 电压范围；全静态工作：0Hz-24MHz .2 级程序存储器保密锁定 128*8 位内部 RAM；15 条可编程 I/O 线 ；两个 16 位定时器/计数器 ；6 个中断源可编程串行通道.高精度电压比较器（P1.0，P1.1，P3.6）直接驱动 LED 的输出端口。管脚图如图2.6所示，实物图如图2.7所示图2.6图2.72.1.4驱动电机驱动芯片选取本设计的驱动芯片采用L298N。L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，可以直接通过电源来调节输出电压；并可以直接用单片机的I/O口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。L298N芯片信号电源与驱动电源是分开的，根据需要VCC、VS分别接5V、12V。IN1-IN4分别对应OUT1-OUT4，IN1、IN2控制了第一个电机的方向，IN3、IN4控制了第二个电机的方向。D1-D8的作用是使电机两端电压维持在0-VS间，防止电机两端电压过高或者过低，电压小于0时下端的二极管跟地导通，大于VS时跟上端的二极管跟VS导通，使电压维持在0-VS间，防止电机两端有过高上冲或过低下冲。由于电机是感性负载，所以需要吸收电感产生的反向电动势，选用100F、0.1F电容并联到VCC和VS脚上，以保护L298N驱动芯片。管脚图如图2.8所示。图2.82.1.5稳压芯片选取 设计采用7805稳压电路，在输入电压、负载、环境温度、电路参数等发生变化时仍能保持输出电压恒定。VS为+12V，稳压后输出VCC为+5V。电容为滤波用，其中容量大的电容滤除低频的交流信号，小电容用来滤除高频自激信号，使直流电更加平滑。实物图如图2.9所示，管脚图如图2.10所示。图2.9图2.102.1.6太阳能电能管理芯片选取设计的太阳能电池蓄电管理芯片，我选用的是由凌力尔特公司生产的LT3652芯片。该芯片参数如下：用于太阳能应用中峰值功率跟踪 (MPPT) 的输入电源电压调节环路 宽输入电压范围：4.95V 至 32V (40V 绝对最大值) 可编程充电速率高达 2A 可由用户选择的充电终止：C/10 或内置充电终止定时器 可采用电阻器设置并高达 14.4V 的浮动电压能迎合锂离子/锂聚合物电池、LiFePO4 (磷酸铁锂) 电池、SLA (密封铅酸) 电池、NiMH / NiCd (镍氢/镍镉) 电池化学组成 当电池电压 4.2V 时无需 VIN 隔离二极管 1MHz 固定频率 0.5% 浮动电压基准准确度 5% 充电电流准确度 2.5% C/10 检测准确度 二进制编码集电极开路状态引脚 3mm x 3mm DFN12 或 MSOP-12 封装LT3652 是一款完整的单片式、降压型电池充电器，可在 4.95V 至 32V 的输入电压范围内运作。LT3652 提供了一种恒定电流/恒定电压充电特性，最大充电电流可在外部设置至高达 2A。该充电器采用了一个 3.3V 浮动电压反馈基准，因此可以使用一个电阻分压器来设置任何期望并可高达 14.4V 的电池浮动电压。 LT3652 运用了一个输入电压调节环路，如果输入电压降至一个编程电平 (由一个电阻分压器来设定) 以下，则该输入电压调节环路将减小充电电流。当 LT3652 由一块太阳能电池板来供电时，输入调节环路将用于把太阳能电池板保持在峰值输出功率。 可以通过配置使 LT3652 在充电电流降至编程最大值的 1/10 (C/10) 以下时终止充电操作。当充电操作终止时，LT3652 将进入一种低电流 (85A) 待机模式。如果电池电压下降至编程浮动电压以下达 2.5%，则一种自动再充电功能将起动一个新的充电周期。LT3652 还包含一个可编程安全定时器，用于在到达一个期望时间之后终止充电操作。这在电流小于 C/10 的条件下提供了“Top-Off” 型充电。封装如图所示：2.2硬件电路设计2.2.1晶振电路单片机系统里都有晶振，在单片机系统里的作用非常大，全称叫做晶振振荡器，结合单片机内部电路产生单片所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，单片机运行速度越快。选择11.0592MHZ属于较高的晶振频率，也允许高波特率。如图2.11所示图2.11单片机晶振电路，所选晶振大小为11.0592MHZ2.2.2复位电路单片机复位电路，用高电平复位。如图2.12所示图2.122.2.3稳压电路设计采用7805稳压电路，在输入电压、负载、环境温度、电路参数等发生变化时仍能保持输出电压恒定。VS为+12V，稳压后输出VCC为+5V。如图2.13所示图2.132.2.4驱动电路如图2.14所示图2.14L298N芯片信号电源与驱动电源是分开的，根据需要VCC、VS分别接5V、12V。IN1-IN2别对应OUT1-OUT2，IN1、IN2控制了直流电机的方向。D1-D4作用是使电机两端电压维持在0-VS间，防止电机两端电压过高或者过低，电压小于0时下端的二极管跟地导通，大于VS时跟上端的二极管跟VS导通，使电压维持在0-VS间，防止电机两端有过高上冲或过低下冲。由于电机是感性负载，所以需要吸收电感产生的反向电动势，选用100F、0.1F电容并联到VCC和VS脚上，以保护L298N驱动芯片。2.2.5电池蓄电与管理设计的太阳能电池管理与蓄电部分是由凌力尔特公司提供的简易太阳能充放电系统电路设计的，电路原理图如图2.15所示。2.2.6系统流程图系统流程图如图2.16所示图2.163软件设计31软件编辑及仿真软件设计部分，我用的是KEIL C软件，它是众多单片机应用开发的优秀软件之一，它集编辑，编译，仿真于一体，支持汇编,PLM 语言和C 语言的程序设计.进入主界面时如图3.1所示图3.1工程的建立如图3.2所示图3.2然后选择要保存的路径及工程名称，如C51，如图3.3所示图3.3然后会弹出一个对话框，要求你选择相对应的型号，选择你所应用的单片机型号，边栏里会附加该型号单片机的一些基本资料。如图3.4所示图3.4然后建立一个新的文件如图3.5所示图3.5建立新的程序编写如图3.6所示图3.6进行程序的编辑，编辑后并编译如图3.7所示图3.7最终一步输出仿真文件.hex这是最重要的，程序能否生成一定要勾上这个选项，如图3.8所示。图3.832编辑中出现的错误 在程序编写的过程中，要注意不同型号的单片机都有与其相对应的头文件，开始的时候我就弄错了，以至于怎么编写都无法再片上运行。还有当使用不同管脚定义的时候，首先要看头文件是怎么样定义的，不然符号不同，怎么样编辑都无法成功。注意编辑时后的大小写，以及全局变量。这些都是我在程序编写中遇到的问题。 还有在用仿真器烧录程序的时候一定一定要记住管脚数不同的芯片放在仿真器上烧录的时候先查看仿真器的说明，在按照说明书上的管脚位置安装，不然会出现错误甚至烧毁芯片。33成品部分成品部分主要是单片机最小系统与电机驱动部分组成。如图3.9与图3.10所示。图3.9图3.10结论 本文的主要研究内容是太阳电池板自动清洁与电能管理系统，整个系统是基于单片机操作系统，由太阳能电池板吸收光能并转化为电能通过LT3652芯片整流并将电能储存入铅酸电池中。再由铅酸电池供电给7805芯片，将12V的电压转化成5V电压，并将12V供给L298n以供其驱动直流电机。5V供给AT89C2051单片机，使其正常工作，运行内部程序，定时给相对应的管脚高低不同的信号，以供电机进行正确的正反转。详细分析了我国现阶段太阳能电池的应